加速器重离子束的产生重离子束惯性约束聚变重离子束治癌
重离子束技术在材料研究和制备中的应用
重离子束技术在材料研究和制备中的应用材料科学是一门研究材料的性质和构造的学科，其在现代科技、电子、医学等领域中有着广泛的应用。
如何研究、制备出更优质的材料一直是材料科学家们的追求。
近年来，随着科学技术的不断发展，重离子束技术逐渐被应用于材料研究与制备中，其优异的性能在多方面得到了验证。
重离子束技术是指将带电粒子（通常是离子）加速至一定速度后，以高能束流的形式射入材料内部的技术过程。
这种技术可以控制粒子的能量、流量、轰击角度等参数，通过调整这些参数可以使得材料在粒子的轰击下发生退火、自组装、蚀刻、掺杂等反应，从而改变其结构和性质。
下面将从以下几个方面介绍重离子束技术在材料研究和制备中的应用。
一、表面改性将重离子束轰击材料表面，可以改变其表面形貌和化学性质。
通过单次甚至多次轰击可以使得表面纳米化，表面硬度和抗腐蚀性能大幅度提升。
这种技术已经在航空航天、汽车等领域得到应用。
二、材料合成以前很难合成的材料，通过重离子束技术可以轻松合成。
例如，通过重离子束轰击玻璃，可以使得玻璃变得更加耐磨、耐腐蚀，而且强度也得到了提高。
重离子束还可以用于纳米结构的制备，通过控制离子轰击的角度和能量可以呈现不同的纳米结构。
三、材料改性轰击材料可以对其内部结构进行改变，例如离子注入可以改变材料的电子结构，使得其导电性提高。
此外，重离子束还可以用于制备核反应堆的密封材料，这种材料可以快速地吸收辐射能量，有效避免核泄漏。
四、生物医学领域重离子束在生物医学领域也有着广泛的应用。
例如，通过改变生物大分子的二级和三级结构，可以影响生物体的生命活动。
同时，在肿瘤治疗中，重离子束技术可以通过高能离子束直接杀死癌细胞，而对正常细胞的伤害则很小。
综上所述，重离子束技术在材料科学中的应用是多样的。
它不但可以用于表面改性、材料合成和改性，同时在生物医学领域也有着广泛的应用。
未来，随着该技术的不断发展，它将在更多的领域中得到应用，为材料研究和制备带来更多的机遇和挑战。
加速器、重离子束及其应用-近代物理研究所
核 物 理 实 验
裂变现象的发 开始超（铀）重 热核物质性质(状态方程)， 现及应用 元素合成 素105—118合成
人工合成放射 新反应机制(深 超形变核(预言核形状的多样性) 性核素 部非弹，大质量 奇异核结构—晕结构， 新的衰变模 转移)高自旋 式
107号同位素264,265,266Bh的合成
宇宙射线的来源： • 银河宇宙射线－数百MeV-GeV高 能质子α粒子少量重离子； • 太阳宇宙射线－数百MeV高能质 子； • 范· 阿伦辐射带－数MeV的质子
辐射对航天器的危害 • 充放电效应 • 总剂量效应 • 单粒子效应－翻转，锁定，烧毁
高能离子
宇航元器件单粒子效应试验基地
近物所已与几十家航天单位、半导 体厂家、相关研究所和高校开展合作研 究；2010年，单粒子效应试验的束流时 间达770小时，占总供束时间1/6，2010 年用户提出了2500多小时的束流申请。
国防重大专项
利用HIRFL装置为我国 新一代卫星关键器件的选 用提供了重要参考依据。
束流需求
LET≥75 MeV·cm2/mg， >1000小时/年
国内只有HIRFL满足
LET<75 MeV· 2/mg， >1000小时/年 cm
航天—宇宙射线对宇航员的危害
造血系统，生殖系统，神经系统； 细胞变异，致癌作用，诱发白内障， 重离子辐照的地面模拟，找出预防措施！ 重离子辐射生物学研究
重离子束的特点
• • • •
高能量的载体—MeV/nGeV/n； 脉冲窄，可调性好—几纳秒几十纳秒； 重复频率高(10Hz)，重复性好—10-4 整体转换效率高—电能离子能量(感应加速）
可以用于惯性约束聚变！
环境和经济性能的考虑
重离子治疗的原理与应用
重离子治疗的原理与应用重离子治疗是一种新型的肿瘤放疗技术，它采用重离子束直接攻击肿瘤细胞，从而达到治疗的效果。
目前在全球范围内，已有多家医院采用该技术进行治疗，取得了较为显著的疗效。
本文旨在深入探讨重离子治疗的原理和应用。
一、重离子治疗的原理在了解重离子治疗的原理之前，我们需要先了解什么是离子束。
离子束是一种具有高能量、高精度和高剂量的束流，通过加速器控制离子的能量和位置，从而将其定向投射至人体内部。
离子束内的离子具有带电性质，可以准确地瞄准肿瘤细胞，将其损伤或杀死，从而达到治疗的目的。
传统的肿瘤放疗技术大多采用X线或γ射线，这些射线虽然能够杀死癌细胞，但同时也会损伤周围正常细胞。
而重离子束则具有更强的穿透力和更高的剂量效应，可以减少对周围正常组织的损伤，有效降低抗癌治疗过程中的副作用和并发症。
离子治疗的原理是利用离子束的强穿透力，将肿瘤细胞内部的DNA链断裂或者使其失去正常生长和分裂的功能，从而达到杀死癌细胞的效果。
在治疗过程中，医生会通过计算机技术、放疗规划和成像技术等手段，为每个患者定制量身匹配的治疗方案，以达到最佳的治疗效果。
二、重离子治疗的应用重离子治疗的应用范围比较广泛，目前主要用于耳鼻喉肿瘤、前列腺癌、鼻咽癌、头颈肿瘤、肺癌、胰腺癌、肝癌等癌种的治疗。
由于离子治疗的剂量效应更强，因此可以在相对较短的时间内达到更好的疗效。
与传统的放疗技术相比，重离子治疗具有更低的治疗副作用和并发症，且治疗期间不需要手术操作，较为便捷和节省医疗资源。
同时，离子束的精确攻击范围也很小，可以有效避免对周围正常组织的损伤，从而保证患者的健康安全。
值得一提的是，重离子治疗并不是一种简单的技术，它需要多个层面的专业人才共同合作，从放疗规划、加速器控制、成像技术等方面进行精细化的处理，最终才能为患者提供最优的治疗服务。
三、重离子治疗的前景随着离子束技术和计算机技术的不断发展，重离子治疗在未来的应用前景也十分乐观。
质子重离子放疗的原理
质子重离子放疗的原理质子重离子放疗是一种先进的肿瘤治疗技术，它利用高能质子或重离子束精确瞄准肿瘤细胞，实现肿瘤的杀伤和控制。
这种放疗技术具有较高的精度和治疗效果，对于一些难治性肿瘤有着显著的疗效。
质子重离子放疗的原理可以分为三个主要步骤：质子或重离子产生、精确瞄准、肿瘤杀伤。
首先是质子或重离子的产生。
质子和重离子是一种带正电的粒子，它们是由离子加速器产生的。
离子加速器通过电场和磁场的作用使质子或重离子获得高能量，然后将其引导到治疗区域。
接下来是精确瞄准。
质子重离子放疗利用高能粒子束的特点，能够精确瞄准肿瘤细胞，避免对周围正常组织的伤害。
在进行治疗前，医生会进行CT扫描等影像学检查，确定肿瘤的位置和形状。
然后，根据这些信息，制定出治疗计划，确定粒子束的入射角度和剂量分布。
粒子束经过调控器的调节，通过改变束流的强度和位置，来实现对肿瘤的精确瞄准。
最后是肿瘤杀伤。
质子重离子束进入人体后，会在组织中释放能量，形成一个称为布拉格峰的能量沉积峰。
与传统的X射线放疗不同，质子重离子束的能量沉积峰在进入组织后会迅速增加，然后突然下降。
这种特点使得质子重离子束在进入组织时只对肿瘤细胞进行杀伤，几乎不损伤周围正常组织。
这是由于质子或重离子的电荷和质量特性决定的，它们与组织的相互作用导致能量释放的特定模式。
质子重离子放疗的原理使得它具有较高的精确性和准确性。
相比传统的放疗方法，质子重离子放疗可以更好地保护正常组织，减少副作用和并发症的发生。
这是因为质子重离子束的能量沉积峰可以精确控制在肿瘤区域内，最大限度地减少对周围组织的伤害。
此外，质子重离子放疗还可以用于治疗一些位于敏感器官附近的肿瘤，如眼部和脑部肿瘤。
质子重离子放疗的原理使得它成为肿瘤治疗领域的一项重要技术。
然而，由于设备成本高昂和技术要求较高，目前质子重离子放疗还没有普及到每个医院。
但随着技术的不断发展和成本的降低，相信质子重离子放疗将会在未来得到更广泛的应用，为更多患者提供有效的治疗选择。
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质子束和重离子束用于癌症治疗的历史1947年，原子物理学家罗伯特·威尔森首次建议利用质子照射来治疗癌症。
1954年，美国首次进行了利用质子照射治疗癌症的试验，之后该疗法不断改进并成功用于治疗癌症。
欧洲在癌症领域利用质子照射治疗的先驱是位于瑞士维利根地区的保罗·谢尔研究所，它早在1984年便开始运用该方法治疗癌症患者。
而德国是从1989年起，在诸多医院大范围地利用质子照射来治疗癌症。
1977年，美国加州大学伯克利分校开始尝试利用重离子来治疗癌症。
目前，全世界共有三个医疗机构能够利用碳离子治疗癌症，其中两个位于日本。
另一个医疗机构是德国的海德堡离子束治疗中心[HIT]，于1997年12月13日首次利用离子束来治疗癌症患者，这也是整个欧洲范围内首次利用离子束来治疗癌症的病例，同时还是世界范围内首次应用可调整强度的重离子治疗。
从2009年起，质子束和重离子束疗法纳入常规的癌症治疗手段。
技术难题的攻克为使质子和重离子有效应用于医学治疗，在技术方面必须克服诸多难题：1. “离子源”需产生自由质子/重离子，并引入到加速器中。
重离子加速器的原理和应用
重离子加速器的原理和应用随着科技的不断发展，我们的生活中不断涌现出各种高科技技术。
其中，重离子加速器就是一种非常重要的科技设备，能够广泛应用于核物理、医疗和材料学等领域。
本文将详细介绍重离子加速器的原理、结构和应用。
一、原理重离子加速器的原理是通过电场和磁场来对带电粒子进行加速。
其中，电场的作用是加速、磁场的作用则是把粒子引导到正确的轨道并控制它们的速度和方向。
具体来说，可以将重离子加速器分为三个部分：离子源、加速器和束流线。
离子源是重离子加速器的起点，它能够将气态原子中的离子从中抽出来，并使离子带上电荷，变为带电粒子。
接下来，带电粒子会通过加速器的不同部分进行加速，直到达到所需的能量。
这个过程中，加速器系统会通过不同的结构来增强和聚焦电场和磁场，以确保粒子能够按照正确的轨迹前进。
最后，带电粒子会进入束流线，这是将带电粒子聚集成为束流并将其传送到实验环境中的最后一步。
束流线的设计可以控制带电粒子的流量、密度和集中度，确保带电粒子能够在实验中按照需要进行相互作用。
二、结构重离子加速器的结构可以分为三大类：直线型、环形和螺旋型。
这三种类型的重离子加速器各有特点，可以针对不同的实验需求进行选择和设计。
直线型加速器是最简单的一种结构，能够将带电粒子加速到极高的速度。
这种加速器的加速管是一条直线，由连续的电场区间构成。
在每一个电场区间中，带电粒子的速度都会增加，从而达到更高的能量水平。
环形加速器常被用于强子物理和核物理领域。
这种加速器的结构是一个环形，由隔壁的加速器区域组成。
在环上，带电粒子会通过连续的磁场加速区域，提高其能量水平。
环形加速器的优点是它能够周期性地重复使用，因此可以非常高效地进行研究工作。
螺旋型加速器的结构是一种介于直线型和环形加速器之间的结构。
这种加速器的设计是将直线型和环形加速器的优点结合在一起，使得能量提高在空间和时间上都是均匀的。
因此，它能够提供更均匀的束流，适用于需要高质量束流的实验。
重离子治癌的发展历程
重离子治癌的发展历程1895年，威廉·康拉德·伦琴发现了X射线。
这是一种非常容易穿透人体的短波电磁辐射。
他很快便察觉到，没有穿透人体的那部分能量会被人体所吸收，正是这部分能量为人体组织带来了杀灭癌细胞的生物效应。
从X射线被发现还不到两个月时间，欧洲和北美就开始利用X射线拍摄活着的患者的内脏照片，不仅如此，它更开始被用于治疗恶性肿瘤等形形色色的疾病。
正如我们现在所知，X光射束是高能光子形成的，在穿透人体时会失去其强度。
因此，在治疗人体深层肿瘤时，靶区体积的上游会吸收到相对更高的剂量，而下游也会接受到相当多的剂量。
尽管如此，光子束在今天还是最为普遍的肿瘤治疗方法。
肿瘤的最新放射疗法所采用的是直线加速器（Linac）——一种瞄准靶区，将电子加速至数十MeV，产生高能光子束的装置。
适形调强放疗（IMRT）是使光子束瞄准靶区，从多个不同方向进行照射，以此降低治疗体积外侧的不必要的剂量。
这种光子束治疗一般被称为“传统型”的放射治疗，与下文将要探讨的质子束和重离子等新型疗法是有很大区别的。
上世纪50年代，LBNL制造出了6GeV（GeV：十亿电子伏特）的同步加速器（Synchrotron）——高能质子同步稳相加速器（bevatron）。
到70年代初期，已经能够对原子序数为6-18的粒子进行加速，使其能量可以达到用于放射线物理学和放射线生物学研究的程度。
70年代，LBNL建造了一台名为“贝巴拉克（Bevilac）”的复合型加速器。
在这台加速器里应用了superHILAC（巨型重离子直线加速器），可以将更重的重离子射入高能质子同步稳相加速器（bevatron），其能量最大被加速至 2.1GeV/核子。
“贝巴拉克”将质子或其它重粒子加速到具有足够大的能量，使其能以高强度穿透人体深层，为深层肿瘤治疗的医学研究打开了更广阔的天地。
重离子兼具优异的物理学特性和生物学特性，可用来有效的治疗肿瘤。
与质子束相比，重离子在透射过人体时，由于发生的散射很少，能量分散也很小，剂量可以在射程结束后急剧地降为0。
重离子治疗的原理
重离子治疗的原理重离子治疗是一种用于癌症治疗的先进技术，它的原理是利用重离子束的特殊性质来精确杀死肿瘤细胞，同时最大限度地保护周围正常组织。
重离子指的是带有正电荷的离子，其相对质量比轻离子更大。
重离子束由高能加速器加速离子而成，然后通过束流输送到肿瘤部位。
与传统的放疗相比，重离子治疗的束流具有高能量和高密度的特点，因此能够将较大的剂量传递到肿瘤细胞内部，从而实现更有效的治疗效果。
重离子束具有一种被称为布拉格峰的特殊性质。
布拉格峰是指重离子束在穿过物质时的能量沉积曲线。
与传统放疗不同，重离子束在穿过组织时，能量沉积呈现出一个明确的峰值，这意味着它能够将较高的辐射剂量集中在肿瘤深处，而对周围正常组织的损伤较小。
这种特性使得重离子治疗在治疗深部肿瘤时具有明显的优势。
重离子束的束流形状也是重要的治疗因素之一。
重离子束可以通过调整加速器的磁场来控制束流的形状和大小。
这意味着医生可以根据肿瘤的形状和位置来调整束流的投射方向和强度，从而实现对肿瘤的精确照射。
相比之下，传统放疗的束流形状较为固定，很难精确照射到肿瘤。
除了以上的优势，重离子治疗还具有较低的副作用和更高的治疗成功率。
由于重离子束的特殊性质，治疗期间对周围正常组织的损伤较小，因此患者在治疗过程中的副作用更少。
同时，重离子束能够更好地杀死肿瘤细胞，减少肿瘤的复发和转移的风险，提高治疗的成功率。
重离子治疗作为一种先进的癌症治疗技术，已经在世界范围内得到广泛应用。
它通过利用重离子束的特殊性质，精确杀死肿瘤细胞，最大限度地保护周围正常组织，为患者提供了更有效、更安全的治疗选择。
随着技术的不断发展，重离子治疗有望在未来成为癌症治疗的主流方法之一，为更多患者带来希望与健康。
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重离子束惯性约束聚变
解决能源的根本途径 ——可控核聚变能
聚变能的先进性
• 新的大量的能源； 3.4*1011J/g10吨煤
加速器—重离子束的产生 重离子束惯性约束聚变 重离子束治癌 重离子束诱变育种
重离子束特殊功能材料制备
中科院近代物理研究所 靳根明 2012.5
重离子及重离子束
• 重离子－比粒子重的离子， • 重离子束－连续的，或脉冲的重离子流，包
含的离子数可多可少，最多可达1015/s以上； 束流的斑点一般很小(mm), 微束直径<微米； 能量范围很宽 keV(~1m/s)－GeV/u(~光速)； • 在物质中穿行时，产生电离，与原子核反应， 瞬时沉积大量能量；
Voltage Divider
Beam Direction
Primary Turn (s)
Helix Winding
Outer Oil Vessel
Helix Termination
感应加速器的原理
Vd (t) V0 -- -------------------------------------------------------1----------------------------
转移)高自旋 式
107号同位素264,265,266Bh的合成
26Mg + 243Am 269Bh* 264Bh + 5n 265Bh + 4n 266Bh + 3n
E= 9.48, 9.62 MeV
260Db
264Bh
440ms (1 s)
265Bh
0.94+0.70
-0.31
物
远离稳定线核 极端条件下的核物理
合成；放射性 (同位旋，自旋，激
束物理；核子 发能，质量)，夸克
结构；
—胶子等离子体
理 裂变现象的发 开始超（铀）重 热核物质性质(状态方程)， 超重元
现及应用
元素合成
素105—118合成
实
人工合成放射 新反应机制(深 超形变核(预言核形状的多样性)
验 性核素
部非弹，大质量 奇异核结构—晕结构， 新的衰变模
加速器产生于核物理的需要，反过 来又促进核物理飞发展
1932-1940年 1955年
1980年
1990年
加 速 开创轻粒子加 增加能量；开创 中 能 重 离 子 及 进一步增加能量
器 速器
重离子加速器 相 对 论 重 离 子 （GeV-TeV/u）
加速器
核结构研究及 超铀核合成 核结构模型的 核 提出
自主设计和建造；核物理， 强子物理，原子物理
CSR主环一角
CSRe
CSRm
加速离子种类： p, C-U 束流能量 (MeV/u) ： (p) 2800，(12C6+) 1100 ，(238U72+) 520
接近光速
加 速
• 高电压——MV； • 高频——MHz，百kW；
器 • 固定和交变磁场——kG； 所 • 真空技术——10-12mb；
---------------------0
c
-------
-2
-2
0
2
t
V(z, t= const)43;++ + +
ion bunch
---------- lc ----------------------------
0 0
lc vcc
z
2
-- vc
高压倍加器
属于静电加速器，用倍压 的方法产生高电压，用来 加速粒子。一般只加速轻 粒子 ，质子，氘等。
60年代的600kV高压倍加器
串列加速器
直线加速器－强流
质子注入
漂移管 电磁波E分量
高能质子
HV Cable Glass Tube
感应加速器的结构示意图
Ground Return
Support Structure
加速器—重离子束的产生
• 重离子束产生装置——重离子加速器，重 离子在电场中获得能量装置；
• 重离子加速器类型：
静电加速器－串列静电加速器，低能
感应加速器——低能
直线加速器——低、中能 -
回旋加速器——低、中能
⊕+
同步加速器——到很高能量
加速器原理：带电离子在电场中获得能量， 磁场可用来控制其方向。
V0 ------------------------------
-1
加到初级线圈上驱动电压Vd(t)
Drive voltage waveform applied at helix input
-1
S感n应ap电sh压o传t o播f Vv(ozl,tta=gcoenpsrtaonpt)agating on helical line
• 电源——kA，稳定度10-4—10-5；
涉 • 自动控制——上万参数，高精度；
及
• 离子源——强流，高电荷态； • 辐射防护——多种辐射同时存在；
的
• 离子冷却——强流电子束（A,几百kV)
技 术
• 机械 • 水、风、电（MW）
重离子束的应用
能源
功能材料
航天
医疗 生物诱变
粒子物理
核学科 恒星演化
回旋加速器
兰州重离子加速器－100MeV/u
回旋加速器 原理图
世界第一台 回旋加速器
分常规磁铁和超导磁铁两种
固定场变梯度加速器（FFGA）
（Fixed Field Alternating Gradient）
同步加速器
RHIC 周长2.4英里，能量达100GeV/u(Au)，光速！
重离子冷却存储环－CSR
E= 9.24 261Db MeV
1.5 s
1.8 s
266Bh
E= 9.04, 9.07, 9.12
MeV 256Lr
E= 8.93 257Lr MeV
E= 8.43, 8.52, 8.39
MeV
25.9 s
0.65 s
E= 8.86, 8.80 MeV
262Db
40.9s 1.5 s
2.469s 1.31s
E= 9.08MeV 9.77MeV
Z.G. Gan et al., Euro. Phys. J A20(2004)385
s.f. E=204.051M6 eV
192.32MeV
承担单位：近物所、高能所、等离子体所
质子直线加速器 液态金属散裂靶 铅铋冷却反应堆
平台与配套设施
直线加速器：突破强流超导质子直线加速器低能段关键技术 (<10 MeV) 散裂靶：突破适用于ADS的液态金属散裂靶关键技术(直流束、MW) 先进核能材料：研制出适用于4代裂变堆尤其是ADS的结构材料 ADS仿真平台：建立ADS专用数据库与设计仿真平台